JP2010219443A - Terahertz receiving element - Google Patents
Terahertz receiving element Download PDFInfo
- Publication number
- JP2010219443A JP2010219443A JP2009067014A JP2009067014A JP2010219443A JP 2010219443 A JP2010219443 A JP 2010219443A JP 2009067014 A JP2009067014 A JP 2009067014A JP 2009067014 A JP2009067014 A JP 2009067014A JP 2010219443 A JP2010219443 A JP 2010219443A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gate electrode
- terahertz
- electrode
- gate
- receiving element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明はテラヘルツ帯の高周波を受信するテラヘルツ受信素子に関するものである。 The present invention relates to a terahertz receiving element that receives a high frequency in the terahertz band.
テラヘルツ電磁波は近年注目されている新しい電磁波領域であり、多岐にわたる応用の可能性が提案されている。現在、テラヘルツ波の室温受信は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を用いることによりテラヘルツ波の高感度受信を行うことが一般的である。 Terahertz electromagnetic waves are a new electromagnetic field that has been attracting attention in recent years, and a wide variety of applications have been proposed. Currently, terahertz waves are generally received at room temperature by using terahertz time domain spectroscopy (THz-TDS) to perform high-sensitivity reception of terahertz waves.
しかし、このテラヘルツ時間領域分光法は、高精度な光学系の調整を必要とするだけでなく大規模な設備構成にならざるを得ず、現状では様々な分野への技術応用、商品展開は困難である。また、設備を小型化し、簡便で高感度なテラヘルツ波受信技術として、電子デバイスを用いたテラヘルツ波の受信が新たに検討されており、電界効果型トランジスタを用いチャネル電子のプラズマ共鳴を利用したテラヘルツ波の室温受信が報告されている。これは、１０８ｃｍ／ｓオーダーの電子速度を持つプラズマ波を利用することにより、室温でのテラヘルツ受信を可能とするものである。 However, this terahertz time-domain spectroscopy requires not only high-precision optical system adjustment but also a large-scale equipment configuration, and currently it is difficult to apply technology and develop products in various fields. It is. In addition, terahertz wave reception using electronic devices has been newly studied as a compact and simple and highly sensitive terahertz wave reception technology. Terahertz using channel electron plasma resonance using field-effect transistors A room temperature reception of waves has been reported. This enables terahertz reception at room temperature by using a plasma wave having an electron velocity of the order of 108 cm / s.
中でも２次元電子システムを有する高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ：Ｈｉｇｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｏｂｉｌｉｔｙ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）において、２次元電子プラズマ共鳴を利用したデバイスをＭ． Ｓｈｕｒらが提案している（非特許文献１、２）。この共鳴周波数はゲートに印加される電圧によって定まる電子濃度の平方根に比例するため、ゲート電圧により周波数可変なテラヘルツ光源、或いは広帯域なテラヘルツ受信機の実現が期待できる。
In particular, a device using two-dimensional electron plasma resonance in a high electron mobility transistor (HEMT) having a two-dimensional electron system is described in M.C. Shur et al. Have proposed (Non-Patent
このように、トランジスタを用いたテラヘルツ帯の電磁波を検波することが可能であることから、テラヘルツ光源を必要としないイメージングが可能となりテラヘルツイメージングシステム等の小型化、低コスト化が可能となるなどのメリットがある。 In this way, because it is possible to detect terahertz band electromagnetic waves using transistors, imaging that does not require a terahertz light source is possible, making it possible to reduce the size and cost of terahertz imaging systems, etc. There are benefits.
また、ＴａｕｋらはＳｉＭＯＳＦＥＴ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）においても、テラヘルツ波の受信が可能であることを報告している（非特許文献３）。この報告ではテラヘルツ波はゲートワイヤにて受信されるとしており、ゲートワイヤで受信したテラヘルツ帯の変調信号を、ゲートワイヤを通じてゲート直下のチャネルへ伝送され、プラズマ共鳴により発生したプラズマ波によってテラヘルツ波を室温受信していることになる。その構造を図５に示す。同図のテラヘルツ受信素子８００では、電界効果型トランジスタに接続されたゲートバイアス給電用のゲートワイヤ８０４を線状アンテナとして利用している。このように電界効果型トランジスタにおいて、アンテナを用いることによりテラヘルツ帯の高周波を受信することが可能である。
Tauk et al. Have reported that terahertz waves can be received even in SiMOSFET (Silicon Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) (Non-patent Document 3). In this report, the terahertz wave is received by the gate wire. The terahertz band modulation signal received by the gate wire is transmitted to the channel directly under the gate through the gate wire, and the terahertz wave is generated by the plasma wave generated by plasma resonance. You will be receiving room temperature. The structure is shown in FIG. In the
また、ゲートを格子状に配置したプラズモン格子デバイスによるテラヘルツ受信も報告されている（非特許文献４、５、６、特許文献１）。その構造を図６に示す。同図のプラズモン格子デバイス１００は、高抵抗基板１０１に、バッファ層１０２、チャネル層１０３、電子供給層１０４が形成され、ソース電極１０５及びドレイン電極１０６間のチャネル領域には、格子状のゲート電極１０７及び１０８が形成されている。各ゲート電極１０７及び１０８それぞれに対し個別にバイアスすることにより、チャネル層１０３の２次元電子ガスに濃度変調が生じる。その結果、プラズマ波の伝搬特性の向上やテラヘルツ波に対する吸収係数の増加などの効果が見込める。
Terahertz reception using a plasmon lattice device in which gates are arranged in a lattice shape has also been reported (
また、プラズモン格子デバイス１００は、プラズモン格子状のゲート電極１０７及び１０８がアンテナとして機能することで、プラズモン格子のサイズに対応したテラヘルツ波を受信することを特徴とする。このように、プラズモン格子デバイス１００は、テラヘルツ波受信感度の向上に効果的であることが期待される。
しかしながら、図５に示した従来のテラヘルツ受信素子８００のように、アンテナと電界効果型トランジスタを分離した構成では、アンテナにおいて受信したテラヘルツ帯の電磁波をトランジスタに伝送する際に、配線による導体損が大きい。したがって、テラヘルツ波を高効率で受信することは非常に困難である。また、ワイヤのような線状アンテナでは、指向性が小さい、偏向依存性が大きいなどの理由からも、非特許文献３のような構成では、テラヘルツ波の高効率受信は困難である。よって、高効率なテラヘルツ波受信を実現するには、線状アンテナを用いず、更に伝送時の損失をできるだけ小さくする必要がある。
However, in the configuration in which the antenna and the field effect transistor are separated as in the conventional
また、伝送線路を必要としないプラズモン格子デバイス１００は、受信したテラヘルツ波の電界方向（チャネル層１０３と平行）と、プラズマ共鳴により発生したプラズマ波の電界方向（チャネル層１０３と垂直）とが直交するため、受信効率が悪いという問題がある。
In the
本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて、高効率でテラヘルツ波を受信することが可能であるテラヘルツ受信素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a terahertz receiving element capable of receiving a terahertz wave with high efficiency in view of the problems of the prior art.
上記課題を解決するため、本発明のテラヘルツ受信素子は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の主面上に形成されているグランド層と、前記半導体基板の前記第１の主面に対向する第２の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む半導体層と、前記半導体層に形成され、前記２次元電子チャネル層とともに電界効果型トランジスタを形成するソース電極、ゲート電極及びドレイン電極とを備え、前記半導体層は、前記ゲート電極とショットキー接合されたストライプ状に配置された複数の凸部を有し、前記複数の凸部それぞれは、前記ゲート電極の下方において前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の並び方向に直交する。 In order to solve the above problems, a terahertz receiving device according to the present invention is directed to a semiconductor substrate, a ground layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate, and the first main surface of the semiconductor substrate. A semiconductor layer including a two-dimensional electron channel layer formed on the second main surface and formed by a heterojunction, and a source formed on the semiconductor layer and forming a field effect transistor together with the two-dimensional electron channel layer An electrode, a gate electrode, and a drain electrode, and the semiconductor layer has a plurality of protrusions arranged in a stripe shape that is Schottky-bonded to the gate electrode, and each of the plurality of protrusions includes the gate electrode. Is perpendicular to the direction in which the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are arranged.
この構成にすることにより、照射されたテラヘルツ波をゲート電極で受信することによりテラヘルツ受信素子内に発生した電界方向と、プラズマ共鳴により発生したプラズマ波の電界方向とが一致するため、受信効率が向上する。また、ゲート電極とショットキー接合されたストライプ状に配置された複数の凸部では、凸部のそれぞれが電界効果型トランジスタのゲートとして機能する。その結果、ゲートの下の２次元電子チャネル層で発生したプラズマ波を隣接するゲートの下で発生したプラズマ波と重畳できるので、テラヘルツ波からプラズマ波への変換効率が向上する。また、ゲート電極のサイズにより決定される受信可能なテラヘルツ波の周波数と、ソース電極、ゲート電極及びドレイン電極の並び方向にゲート電極とショットキー接合している各凸部の長さにより決定されるプラズマ周波数とを一致させることで、より高効率にテラヘルツ波を受信できる。 With this configuration, since the direction of the electric field generated in the terahertz receiving element by receiving the irradiated terahertz wave with the gate electrode coincides with the direction of the electric field of the plasma wave generated by plasma resonance, the reception efficiency is improved. improves. In addition, in the plurality of convex portions arranged in a stripe shape that is Schottky-bonded to the gate electrode, each of the convex portions functions as a gate of the field effect transistor. As a result, the plasma wave generated in the two-dimensional electron channel layer under the gate can be superimposed on the plasma wave generated under the adjacent gate, so that the conversion efficiency from the terahertz wave to the plasma wave is improved. Also, it is determined by the frequency of the receivable terahertz wave determined by the size of the gate electrode and the length of each convex portion that is in Schottky junction with the gate electrode in the direction in which the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are arranged. By matching the plasma frequency, terahertz waves can be received more efficiently.
さらに、ゲート電極にバイアス電圧を印加する場合、従来のようにプラズモン格子状のゲート電極を形成し、各ゲートバイアスを制御することなく、２次元電子チャネル層の２次元電子ガスに濃度変調を与えることができ、簡易な制御で受信感度の向上を図ることができる。 Furthermore, when a bias voltage is applied to the gate electrode, a plasmon lattice-like gate electrode is formed as in the prior art, and concentration modulation is applied to the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron channel layer without controlling each gate bias. Therefore, it is possible to improve reception sensitivity with simple control.
また、前記複数の凸部それぞれは、前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の並び方向に前記ゲート電極とショットキー接合している箇所の長さが０．０６５〜２μｍである前記複数の凸部それぞれは、前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の並び方向に前記ゲート電極とショットキー接合している箇所の長さが０．０６５〜２μｍであってもよい。 Each of the plurality of protrusions has a length of 0.065 to 2 μm at a portion where the gate electrode and the gate electrode are in a Schottky junction in the arrangement direction of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode. Each of the convex portions may have a length of 0.065 to 2 μm at a portion where a Schottky junction with the gate electrode is arranged in the arrangement direction of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode.
この構成にすることにより、半導体製造プロセスにより複数の凸部それぞれを形成することができる。 With this configuration, each of the plurality of convex portions can be formed by a semiconductor manufacturing process.
また、前記複数の凸部それぞれは、前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の並び方向に周期的に形成されていてもよい。 In addition, each of the plurality of convex portions may be periodically formed in an arrangement direction of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode.
この構成にすることにより、複数の凸部それぞれが形成されている周期を２次元電子プラズマ共鳴が起こるディメンションにした場合、より効率良くテラヘルツ波を受信することが可能となる。 With this configuration, when the period in which each of the plurality of convex portions is formed is set to a dimension in which two-dimensional electron plasma resonance occurs, it is possible to receive a terahertz wave more efficiently.
また、前記ゲート電極の形状は、矩形、多角形及び円形の何れかであってもよい。 The gate electrode may be rectangular, polygonal, or circular.
この構成にすることにより、感度及び広帯域など、用途によりアンテナの設計の自由度をあげることができる。 With this configuration, it is possible to increase the degree of freedom in antenna design depending on applications such as sensitivity and broadband.
また、前記半導体層は、III−Ｖ族化合物半導体であってもよい。 The semiconductor layer may be a III-V group compound semiconductor.
この構成にすることにより、高い電子移動度を有する２次元電子チャネル層を構成することが可能となり、幅広いテラヘルツ電磁波周波数帯に対応した、高感度にテラヘルツ電磁波を受信可能な受信素子を実現することができる。 With this configuration, a two-dimensional electron channel layer having high electron mobility can be configured, and a receiving element capable of receiving terahertz electromagnetic waves with high sensitivity corresponding to a wide terahertz electromagnetic wave frequency band can be realized. Can do.
本発明によるテラヘルツ受信素子は、高効率でテラヘルツ波を受信することができる。すなわち、本発明によるテラヘルツ受信素子は、ゲート電極がアンテナとして作用するために、受信したテラヘルツ波の信号を効率よくゲート下の２次元電子チャネル層に伝送することができる。さらに、入れ子型のような複雑なバイアス制御を必要とすることなく、ゲート下の２次元電子の電子濃度を変調することができ、さらに、アンテナにより受信した電界方向とチャネルに生成されたプラズマ波の電界方向を一致させることができる。したがって、高効率でテラヘルツ波を受信することが可能となる。 The terahertz receiving element according to the present invention can receive terahertz waves with high efficiency. That is, the terahertz receiving element according to the present invention can efficiently transmit the received terahertz wave signal to the two-dimensional electron channel layer under the gate because the gate electrode acts as an antenna. Furthermore, the electron concentration of the two-dimensional electrons under the gate can be modulated without requiring complicated bias control as in the nested type, and further, the plasma wave generated in the direction of the electric field and channel received by the antenna. The electric field directions can be matched. Therefore, terahertz waves can be received with high efficiency.
よって、本発明により、テラヘルツ波を用いたセンシング、或いはイメージングに必要なテラヘルツ波に対して感度があり、正確にテラヘルツ信号を検出することが可能なテラヘルツ受信素子を提供することが可能になり、実用的価値は極めて高い。 Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a terahertz receiving element that is sensitive to terahertz waves necessary for sensing or imaging necessary for terahertz waves and that can accurately detect terahertz signals. The practical value is extremely high.
以下、図面とともに本発明によるテラヘルツ受信素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of a terahertz receiving device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
本発明のテラヘルツ受信素子は、半導体基板と、前記半導体基板の第１の主面上に形成されているグランド層と、前記半導体基板の前記第１の主面に対向する第２の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む半導体層と、前記半導体層に形成され、前記２次元電子チャネル層とともに電界効果型トランジスタを形成するソース電極、ゲート電極及びドレイン電極とを備え、前記半導体層は、前記ゲート電極とショットキー接合されたストライプ状に配置された複数の凸部を有し、前記複数の凸部それぞれは、前記ゲート電極の下方において前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の並び方向に直交する。これにより、伝送等による損失を大幅に低減すると共に効率良くゲート電極下の２次元電子チャネル層の２次元電子ガスを励振させることを可能とする。更に、受信するテラヘルツ波の周波数と、凸部のゲート電極とショットキー接合している箇所のソース電極、ゲート電極及びドレイン電極の並び方向の長さにより決定されるプラズマ周波数とを一致するように凸部の長さを決定することにより、高効率でテラヘルツ波を受信することを可能とする。 The terahertz receiving element of the present invention includes a semiconductor substrate, a ground layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate, and a second main surface opposite to the first main surface of the semiconductor substrate. A semiconductor layer including a two-dimensional electron channel layer formed by heterojunction, and a source electrode, a gate electrode, and a drain electrode formed in the semiconductor layer and forming a field effect transistor together with the two-dimensional electron channel layer And the semiconductor layer has a plurality of protrusions arranged in a stripe shape that is Schottky-bonded to the gate electrode, and each of the plurality of protrusions includes the source electrode, below the gate electrode, It is orthogonal to the direction in which the gate electrode and the drain electrode are arranged. As a result, loss due to transmission or the like is greatly reduced, and the two-dimensional electron gas in the two-dimensional electron channel layer under the gate electrode can be efficiently excited. Furthermore, the frequency of the received terahertz wave and the plasma frequency determined by the length of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode in the portion where the Schottky junction is formed with the gate electrode of the convex portion are matched. By determining the length of the convex portion, it is possible to receive the terahertz wave with high efficiency.
図１は、本発明のテラヘルツ受信素子の構成を示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a terahertz receiving element according to the present invention.
このテラヘルツ受信素子Ａは、主に電界効果型トランジスタで構成される。同図で用いた電界効果型トランジスタは高電子移動度トランジスタであり、高抵抗基板１上に、バッファ層２、チャネル層３及び電子供給層４が形成されている。具体的には、バッファ層２としてＩｎ0.15Ｇａ0.85Ａｓ、電子供給層４としてＡｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓを用いることにより、バッファ層２と電子供給層４との界面に２次元電子ガスのチャネル層３が形成される。
The terahertz receiving element A is mainly composed of a field effect transistor. The field effect transistor used in the figure is a high electron mobility transistor, and a
ソース電極５及びドレイン電極６間のチャネル領域には、電子供給層４の上部にストライプ状の凸部７（例えば、周期数１００）が形成されている。このストライプ状の凸部７は、ゲート電極９下の電子供給層４において、ソース電極５、ゲート電極９及びドレイン電極６の並び方向と直交、かつ電子供給層４の主面と平行に形成されている複数の凸部を含む。これら凸部それぞれは、ゲート電極９下の電子供給層４においてソース電極５、ゲート電極９及びドレイン電極６の並び方向と直交する方向に連続的に形成されている。また、複数の凸部それぞれは、ソース電極５、ゲート電極９及びドレイン電極６の並び方向に周期的に形成されている。
In the channel region between the
ソース電極５及びドレイン電極６間に、ゲート電極９が形成されている。ゲート電極９はテラヘルツ帯の電磁波を受信するサイズ及び形状を有する。また、ゲート電極９は、ワイヤ又はパターンを介して直流バイアス電圧が印加される。このゲート電極９は、ストライプ状の凸部７とショットキー接合されている。ゲート電極９とショットキー接合されているストライプ状の凸部７のうち、それぞれの凸部が電界効果型トランジスタのゲートとして機能する。つまり、テラヘルツ受信素子Ａは、マルチゲートの構成となっている。また、ゲート電極９と、ストライプ状の凸部７とにより空洞が形成されている。また、ゲート電極９は、ストライプ状の凸部７以外の電子供給層４とは絶縁層８を介して形成されている。
A
高抵抗基板１の下、つまりバッファ層２が形成されている面と対向する面にはグランド面１０が形成されている。このグランド面１０は、ゲート電極９とともにパッチアンテナを構成する。
A
次に、チャネル層３で発生するプラズマ波について説明する。 Next, the plasma wave generated in the channel layer 3 will be described.
チャネル層３の２次元電子ガスの電子濃度は以下の式で与えられる。２次元電子ガス濃度ｎ、ゲート−チャネル間の電圧Ｕｇｃ、電子供給層４の誘電率ε、膜厚ｄとすると、ｎ＝ε（Ｕｇｃ）／ｅｄ。この２次元電子ガスの電子濃度ｎはゲート−チャネル間に実効的に印加される電位差Ｕｇｃに比例する。このＵｇｃはゲート−ソース間電圧Ｕｇｓから２次元電子チャネルのｏｎ／ｏｆｆの境界値となる閾値電圧Ｖｔｈを引いた値で決定される。ここまでの理論が定常状態（無変調状態）での説明である。 The electron concentration of the two-dimensional electron gas in the channel layer 3 is given by the following equation. Assuming that the two-dimensional electron gas concentration n, the gate-channel voltage Ugc, the dielectric constant ε of the electron supply layer 4 and the film thickness d, n = ε (Ugc) / ed. The electron concentration n of the two-dimensional electron gas is proportional to the potential difference Ugc that is effectively applied between the gate and the channel. This Ugc is determined by a value obtained by subtracting a threshold voltage Vth which is an on / off boundary value of the two-dimensional electron channel from the gate-source voltage Ugs. The theory so far is the explanation in the steady state (non-modulation state).
ゲート電極９にテラヘルツ波が照射されると、ゲート電極９が当該テラヘルツ波を受信する。このとき、ゲート電極９で受信されたテラヘルツ波をストライプ状の凸部７を介してゲート電極９下のチャネル層３に伝達することにより、チャネル層３の２次元電子ガスが励振され、電子濃度が変調される（変調状態）。この変調された電子濃度、つまり２次元電子ガスの粗密波がプラズマ波である。
When the
次に、ゲート電極９にバイアス電圧を印加し、テラヘルツ波を受信したときの動作状態を説明する。図２（ａ）は従来のプラズモン格子デバイス１００、図２（ｂ）は本発明のテラヘルツ受信素子Ａの断面図である。なお、図２（ａ）には入射するテラヘルツ波の進行方向及び電界と、プラズマ波の進行方向及び電界も示され、図２（ｂ）にはさらに、テラヘルツ波をアンテナ（ゲート電極９）で受信した際に発生する電界も示されている。
Next, an operation state when a bias voltage is applied to the
図２（ａ）に示すプラズモン格子デバイス１００では、照射されたテラヘルツ波ｋ＿ｔを格子状のゲート電極１０７及び１０８がグレーティングカプラの効果により受信する。その受信されたテラヘルツ波をゲート領域のチャネル層１０３に伝達することにより、２次元電子ガスが励振され、プラズマ共鳴が発生する。このとき、プラズマ共鳴により発生するプラズマ波の電界方向１１０と、入射してくるテラヘルツ波の電界方向１０９とが直交しているため、カップリングロスが発生し、テラヘルツ波ｋ＿ｔからプラズマ波ｋ’＿ｔへの変換効率が低い。その結果、受信感度の低下を招いている。
In the
一方、図２（ｂ）に示す本発明のテラヘルツ受信素子Ａにおいては、照射されたテラヘルツ波ｋ＿ｔをパッチアンテナのアンテナ面として機能するゲート電極９が受信する。その受信されたテラヘルツ波をストライプ状の凸部７を介してチャネル層３に伝達することにより、２次元電子ガスが励振されプラズマ共鳴が発生する。
On the other hand, in the terahertz receiving element A of the present invention shown in FIG. 2B, the
このとき、パッチアンテナの特性として、ゲート電極９の主面に対して垂直方向にゲート電極９及びグランド面１０間に電界が発生する。具体的には、パッチアンテナに発生する電界方向１１は、ゲート電極９の最もソース電極５側及びドレイン電極６側で最大となり、中央になるにつれ小さい電界となる。また、中央では電界が実質０となり、中央を境としてソース電極５側とドレイン電極６側とで電界方向が反転する。
At this time, as a characteristic of the patch antenna, an electric field is generated between the
このようにパッチアンテナの電界がテラヘルツ受信素子Ａ内部で発生することで、チャネル層３の２次元電子ガスは、プラズモン格子デバイス１００と比較して、より励振される。また、プラズマ波の電界方向１２と、パッチアンテナに発生する電界方向１１とが一致するので、テラヘルツ波ｋ＿ｔからプラズマ波ｋ＿ｐへの変換効率も高い。これによりプラズモン格子デバイス１００のプラズマ波ｋ’＿ｐによって発生した電界Ｅ1ｅjωtと、テラヘルツ受信素子Ａのプラズマ波ｋ＿ｐによって発生した電界Ｅ0ｅjωtとを比較すると、それらの絶対値Ｅ1及びＥ0はＥ0の方が大きくなる。その結果、受信感度が向上する。
As described above, the electric field of the patch antenna is generated inside the terahertz receiving element A, so that the two-dimensional electron gas in the channel layer 3 is more excited than the
つまり、ゲート電極９がパッチアンテナとして作用することにより効率よくテラヘルツ波を受信できるだけでなく、パッチアンテナとして機能したときに発生するパッチアンテナに発生する電界方向１１とプラズマ波の電界方向１２とが一致するためにカップリングロスを小さくできるので、効率の良い受信が可能となる。
That is, not only can the terahertz wave be efficiently received by the
またさらに、テラヘルツ波の受信感度向上のためには、ゲート電極９をアンテナ面とするパッチアンテナの受信帯域と、ゲート長によって決定されるプラズマ共鳴周波数とが一致するように、ゲート電極９のサイズと、ゲート長とを構造設計する必要がある。ここで、ゲート長とは、ソース電極５、ゲート電極９及びドレイン電極６の並び方向にゲート電極９とショットキー接合している各凸部の長さである。ゲート電極９のサイズとゲート長との一例を以下に記す。
Furthermore, in order to improve the reception sensitivity of the terahertz wave, the size of the
まず、パッチアンテナとして作用するゲート電極９であるが、矩形パッチアンテナの共振周波数ｆは以下の関係で与えられる。光の速度をｃ、ゲート電極９の１辺の長さをａ、ゲート電極９とグランド面１０間の材料の比誘電率をεrとすると、ｆ＝ｃ／（２ａεr 1/2）で与えられる。例えば、１ＴＨｚのテラヘルツ波に対して受信感度が高い（指向性利得が大きい）設計とするには６０×６０μｍの矩形形状を選択する。
First, regarding the
次に、プラズマ共鳴周波数を決定するゲート長について説明する。ゲート長の一例として、図３にＩｎＧａＡｓＰ系材料により構成される電界効果型トランジスタにおけるプラズマ共鳴周波数の計算結果を示す（ゲートに−１Ｖを印加、閾値電圧は−１．２Ｖ）。 Next, the gate length that determines the plasma resonance frequency will be described. As an example of the gate length, FIG. 3 shows the calculation result of the plasma resonance frequency in a field effect transistor made of an InGaAsP-based material (-1V is applied to the gate, the threshold voltage is -1.2V).
同図には、異なるゲート長において、受信テラヘルツ波の周波数に対するソース−ドレイン電圧の変調状態と無変調状態との差分ΔＵｄｓが示されている。このΔＵｄｓが高いほど、テラヘルツ波に対して感度が高いことを意味する。つまり、あるゲート長において受信テラヘルツ波の周波数に対してΔＵｄｓが極大点となる周波数がプラズマ共鳴周波数である。 This figure shows the difference ΔUds between the modulation state and the non-modulation state of the source-drain voltage with respect to the frequency of the received terahertz wave at different gate lengths. Higher ΔUds means higher sensitivity to terahertz waves. That is, the frequency at which ΔUds becomes the maximum point with respect to the frequency of the received terahertz wave at a certain gate length is the plasma resonance frequency.
図３から、ゲート長によりプラズマ共鳴周波数が異なることがわかる。ここで、プラズマ共鳴周波数が１ＴＨｚとなるようにゲート長として０．２μｍを選択する。 FIG. 3 shows that the plasma resonance frequency varies depending on the gate length. Here, 0.2 μm is selected as the gate length so that the plasma resonance frequency is 1 THz.
これにより、パッチアンテナの受信帯域と、プラズマ共鳴周波数とが一致するので、高効率なテラヘルツ波受信が実現する。 As a result, since the reception band of the patch antenna matches the plasma resonance frequency, highly efficient terahertz wave reception is realized.
以上説明してきたように、本発明のテラヘルツ受信素子Ａは、高抵抗基板１と、前記高抵抗基板１の第１の主面上に形成されているグランド面１０と、前記高抵抗基板１の第１の主面に対向する第２の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成されるチャネル層３を含む半導体層と、前記半導体層に形成され、前記チャネル層３とともに電界効果型トランジスタを形成するソース電極５、ゲート電極９及びドレイン電極６とを備え、前記半導体層は、前記ゲート電極９とショットキー接合されたストライプ状の凸部７を有し、前記ストライプ状の凸部７に含まれる複数の凸部それぞれは、前記ゲート電極９の下方において前記ソース電極５、前記ゲート電極９及び前記ドレイン電極６の並び方向に直交する。なお、バッファ層２、チャネル層３及び電子供給層４は、半導体層として機能する。
As described above, the terahertz receiving element A of the present invention includes the high-
これにより、照射されたテラヘルツ波ｋ＿ｔをゲート電極９で受信することにより発生した電界方向、つまりパッチアンテナに発生する電界方向１１と、プラズマ共鳴により発生したプラズマ波の電界方向１２とが一致するため、受信効率が向上する。また、ゲート電極９とショットキー接合されたストライプ状の凸部７では、ストライプ状の凸部７に含まれる複数の凸部それぞれが電界効果型トランジスタのゲートとして機能する。その結果、ゲートの下のチャネル層３で発生したプラズマ波を隣接するゲートの下で発生したプラズマ波と重畳できるので、テラヘルツ波からプラズマ波への変換効率が向上する。
Thereby, the electric field direction generated by receiving the irradiated terahertz wave k_t by the
また、ゲート電極９のサイズにより決定される受信可能なテラヘルツ波の周波数と、ゲート長により決定されるプラズマ周波数とを一致させることで、より高効率にテラヘルツ波を受信できる。さらに、ゲート電極にバイアスを印加する場合、従来のようにプラズモン格子状のゲート電極１０７及び１０８を形成し、各ゲートバイアスを制御することなく、チャネル層３の２次元電子ガスに濃度変調を与えることができ、簡易な制御で受信感度の向上を図ることができる。
Further, by making the receivable frequency of the terahertz wave determined by the size of the
また、ゲート長を０．０６５〜２μｍとすることで、半導体製造プロセスによりストライプ状の凸部７を形成することができる。
Further, by setting the gate length to 0.065 to 2 μm, it is possible to form stripe-shaped
また、ストライプ状の凸部に含まれる複数の凸部が形成されている周期を２次元電子プラズマ共鳴が起こるディメンションにした場合、より効率良くテラヘルツ波を受信することが可能となる。 In addition, when the period in which the plurality of protrusions included in the stripe-shaped protrusions are formed is a dimension in which two-dimensional electron plasma resonance occurs, terahertz waves can be received more efficiently.
また、バッファ層２及び電子供給層４をIII−Ｖ族化合物半導体とすることで、高い電子移動度を有するチャネル層３を構成することが可能となり、幅広いテラヘルツ電磁波周波数帯に対応した、高感度にテラヘルツ電磁波を受信できる。
In addition, by using the III-V group compound semiconductor for the
以上、本発明のテラヘルツ受信素子Ａについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲内で当業者が思いつく各種変形を施したものも本発明の範囲内に含まれる。 Although the terahertz receiving element A of the present invention has been described based on the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment. The present invention includes various modifications made by those skilled in the art without departing from the scope of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、電界効果型トランジスタを構成する材料として、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を取り上げたが、ＡｌＧａＡｓ系材料やＧａＮ系材料においても同様の効果が得られる。 For example, in the above embodiment, an InGaAsP-based material is taken up as a material constituting a field effect transistor, but the same effect can be obtained even in an AlGaAs-based material or a GaN-based material.
また、上記実施形態においては、ゲート電極９の形状として矩形を選択したが、矩形以外の多角形及び円形の形状を選択しても問題は無い。これにより、感度及び広帯域など、用途によりアンテナの設計の自由度をあげることができる。また、円偏波のテラヘルツ波も受信できる。また、ゲート電極９の形状として、中央にスリットを設けたスロット形状を選択しても問題は無い。図４は、ゲート電極９の変形例を示す図である。図４（ａ）はスロットアンテナを示す。スロットアンテナの場合、ゲート電極９の中央部にスリットが設けられているので、中央のスリット部からは下の電子供給層４に設けられたストライプ状の凸部７が見える。図４（ｂ）は六角形を採用した例を示す。図４（ｂ）に示す形状は、上記実施の形態に示した矩形形状のゲート電極９の対角をわずかに落とした形状である。
Further, in the above embodiment, a rectangle is selected as the shape of the
また、ストライプ状の凸部７においても、所望のプラズマ共鳴周波数に応じた設計が可能であり、上記実施形態ではその一例を示しただけである。例えば、ストライプ状の凸部７は周期的に形成された複数の凸部を含まなくてもよい。具体的には、ゲート電極９下の電子供給層４のうち、最もソース電極５側とドレイン電極６側にのみ凸部が形成され、それら凸部の間は１つも凸部が形成されず、電子供給層４とゲート電極９との間に隙間がある状態でもよい。また、ゲート電極９下の電子供給層４のうち、ソース電極５側からゲート電極９の中心まで凸部が形成され、ゲート電極９の中心からドレイン電極６側までは電子供給層４とゲート電極９との間に隙間がある状態でもよい。これにより、設計自由度を上げることができる。
Also, the stripe-shaped
また、上記実施形態においては、ストライプ状の凸部７とゲート電極９とにより空洞が構成されるとしたが、ここに誘電体が形成されていてもよい。
In the above-described embodiment, the stripe-shaped
また、図１において、ソース電極５及びドレイン電極６は、電子供給層４の上に形成されていたが、高抵抗基板１上にバッファ層２、チャネル層３及び電子供給層４を形成後に、電子供給層４と、チャネル層３と、バッファ層２の一部とを掘ることで形成された凹部に形成されていてもよい。
In FIG. 1, the
本発明は、テラヘルツ波を受信する受信装置に利用でき、特に非破壊検査装置、イメージング装置、通信装置などに利用することができる。 The present invention can be used for a receiving device that receives a terahertz wave, and in particular, can be used for a nondestructive inspection device, an imaging device, a communication device, and the like.
１、１０１ 高抵抗基板
２、１０２ バッファ層
３、１０３ チャネル層
４、１０４ 電子供給層
５、１０５ ソース電極
６、１０６ ドレイン電極
７ ストライプ状の凸部
８ 絶縁層
９、１０７、１０８ ゲート電極
１０ グランド面
１１ パッチアンテナに発生する電界方向
１２、１１０ プラズマ波の電界方向
１００ プラズモン格子デバイス
１０９ テラヘルツ波の電界方向
８００、Ａ テラヘルツ受信素子
８０４ ゲートワイヤ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 High-resistance board | substrate 2,102 Buffer layer 3,103 Channel layer 4,104 Electron supply layer 5,105 Source electrode 6,106
Claims (5)
前記半導体基板の第１の主面上に形成されているグランド層と、
前記半導体基板の前記第１の主面に対向する第２の主面上に形成され、ヘテロ接合により形成される２次元電子チャネル層を含む半導体層と、
前記半導体層に形成され、前記２次元電子チャネル層とともに電界効果型トランジスタを形成するソース電極、ゲート電極及びドレイン電極とを備え、
前記半導体層は、前記ゲート電極とショットキー接合されたストライプ状に配置された複数の凸部を有し、
前記複数の凸部それぞれは、前記ゲート電極の下方において前記ソース電極、前記ゲート電極及び前記ドレイン電極の並び方向に直交する
テラヘルツ受信素子。 A semiconductor substrate;
A ground layer formed on the first main surface of the semiconductor substrate;
A semiconductor layer including a two-dimensional electron channel layer formed on a second main surface opposite to the first main surface of the semiconductor substrate and formed by a heterojunction;
A source electrode, a gate electrode and a drain electrode which are formed in the semiconductor layer and form a field effect transistor together with the two-dimensional electron channel layer;
The semiconductor layer has a plurality of protrusions arranged in a stripe shape that is Schottky bonded to the gate electrode,
Each of the plurality of convex portions is a terahertz receiving element orthogonal to the arrangement direction of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode below the gate electrode.
請求項１記載のテラヘルツ受信素子。 2. The length of each of the plurality of protrusions is 0.065 to 2 μm at a portion where the gate electrode and the Schottky junction are aligned in the direction in which the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode are arranged. Terahertz receiving element.
請求項１記載のテラヘルツ受信素子。 The terahertz receiving element according to claim 1, wherein each of the plurality of convex portions is periodically formed in an arrangement direction of the source electrode, the gate electrode, and the drain electrode.
請求項１記載のテラヘルツ受信素子。 The terahertz receiving element according to claim 1, wherein a shape of the gate electrode is any one of a rectangle, a polygon, and a circle.
請求項１記載のテラヘルツ受信素子。 The terahertz receiving element according to claim 1, wherein the semiconductor layer is a III-V group compound semiconductor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009067014A JP2010219443A (en) | 2009-03-18 | 2009-03-18 | Terahertz receiving element |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2009067014A JP2010219443A (en) | 2009-03-18 | 2009-03-18 | Terahertz receiving element |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2010219443A true JP2010219443A (en) | 2010-09-30 |
Family
ID=42977928
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2009067014A Pending JP2010219443A (en) | 2009-03-18 | 2009-03-18 | Terahertz receiving element |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2010219443A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102096269A (en) * | 2011-01-18 | 2011-06-15 | 南京邮电大学 | Terahertz surface plasma wave optical modulator and modulation method thereof |
| JP2011198801A (en) * | 2010-03-17 | 2011-10-06 | Canon Inc | Photoconductive element |
| CN106653838A (en) * | 2015-11-04 | 2017-05-10 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Terahertz light source device and manufacturing method thereof |
| CN108332863A (en) * | 2017-01-19 | 2018-07-27 | 天津大学 | A kind of terahertz detector based on monopole antenna realization integrated with NMOS temperature sensors |
| CN112531071A (en) * | 2020-12-18 | 2021-03-19 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Terahertz field effect detector based on thin barrier material and design method thereof |
-
2009
- 2009-03-18 JP JP2009067014A patent/JP2010219443A/en active Pending
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011198801A (en) * | 2010-03-17 | 2011-10-06 | Canon Inc | Photoconductive element |
| CN102096269A (en) * | 2011-01-18 | 2011-06-15 | 南京邮电大学 | Terahertz surface plasma wave optical modulator and modulation method thereof |
| CN102096269B (en) * | 2011-01-18 | 2012-11-28 | 南京邮电大学 | Terahertz surface plasma wave optical modulator and modulation method thereof |
| CN106653838A (en) * | 2015-11-04 | 2017-05-10 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Terahertz light source device and manufacturing method thereof |
| CN106653838B (en) * | 2015-11-04 | 2019-05-17 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | A kind of Terahertz light source device and preparation method thereof |
| CN108332863A (en) * | 2017-01-19 | 2018-07-27 | 天津大学 | A kind of terahertz detector based on monopole antenna realization integrated with NMOS temperature sensors |
| CN112531071A (en) * | 2020-12-18 | 2021-03-19 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | Terahertz field effect detector based on thin barrier material and design method thereof |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vitiello et al. | Room-temperature terahertz detectors based on semiconductor nanowire field-effect transistors | |
| US9391428B2 (en) | Waveguide element | |
| JP2010135520A (en) | Terahertz receiving element | |
| US9508764B2 (en) | Monolithically integrated antenna and receiver circuit | |
| US9236833B2 (en) | Electromagnetic wave generation device and detection device | |
| US9825712B2 (en) | Ultra massive MIMO communication in the terahertz band | |
| US9397758B2 (en) | Graphene-based plasmonic nano-transceiver employing HEMT for terahertz band communication | |
| WO2014187150A1 (en) | High electron mobility transistor-based terahertz wave space external modulator | |
| Hamada et al. | 300-GHz band 20-Gbps ASK transmitter module based on InP-HEMT MMICs | |
| JP2014207654A5 (en) | ||
| JP2010219443A (en) | Terahertz receiving element | |
| JP6939802B2 (en) | Electromagnetic wave detection element, electromagnetic wave sensor, electronic device and structure | |
| Yasir et al. | Integration of antenna array and self-switching graphene diode for detection at 28 GHz | |
| JP2020510323A (en) | Radiation detector and manufacturing method thereof | |
| CN105549227A (en) | Terahertz wave space external modulator based on GaN semiconductor material heterojunction field-effect transistor structure | |
| CN110676673A (en) | Terahertz radiation source device based on multi-finger gate structure and regulation and control method thereof | |
| JP2008147750A (en) | Antenna and oscillator using the same | |
| US9680000B2 (en) | Terahertz radiating device and fabricating method for the same | |
| Qiu et al. | Compact hybrid broadband GaN HEMT power amplifier based on feedback technique | |
| JP2011199241A (en) | Terahertz wave receiving device | |
| JP2012175034A (en) | Terahertz wave element | |
| US20210399096A1 (en) | Iii-n based material structures, methods, devices and circuit modules based on strain management | |
| Nguyen et al. | Design of a wideband continuous-wave photomixer antenna for terahertz wireless communication systems | |
| JP2011077396A (en) | Terahertz-wave radiating element | |
| US9966668B1 (en) | Semiconductor antenna |